淺談碘過濾器與其在秦山二期中的應用

薛一帆 陳 昊

（中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 海鹽 314300）

1 碘過濾器的介紹

1.1 概述

核電機組在運行中不可避免地產生放射性廢氣。通常，放射性廢氣分為兩類：放射性氣體和放射性氣溶膠。由于它們的來源、存在形式和性質不同，處理方法也不一樣。

核裂變產生的放射性氣體半衰期較長的主要有：85Kr，133Xe，129I，131I，3H和14C等。就輕水反應堆產生的放射性氣體的活度而言，惰性氣體為最多，約占99%，但對人類可能產生的危害主要是放射性碘。半衰期較長的放射性碘是129I（T1/2=1.57×107年）和131I（T1/2=8.04 d）。由于129I產額較低，且比活度較小（6.0×106Bq/g），一般均排入大氣，而131I的產額較高，比活度也較高（4.5×1015Bq/g），它是放射性廢氣處理中特別關注的核素。

1.2 活性炭吸附劑

世界各國多采用氣——固吸附的辦法控制氣態(tài)放射性碘。因此，首要的問題是尋找合適的吸附劑和浸漬劑。其中，活性炭得到了最廣泛的研究和運用，其次是銀沸石、浸漬了金屬鹽的礬土（氧化鋁）和分子篩無機吸附劑。

1.3 除碘性能及影響活性炭吸附劑效率的主要因素

核級活性炭的除碘性能主要包括：捕集放射性碘的效率，吸附容量，對于被吸附的放射性碘的滯留能力和抗老化性等。

吸附劑的效率是衡量吸附劑性能的主要指標。而效率的高低不僅取決于吸附劑本身的特性（如物理性能、化學組成、活化程度、浸漬劑的類型和浸漬劑量等），也決定于運行的環(huán)境條件（如氣流速度、溫度、相對濕度、碘的入口濃度和有害污染物的量等）。圖1展示了氣流相對濕度對效率的影響。

1.4 碘吸附器

1.4.1 性能要求

核空氣凈化設備——碘吸附器的主要性能包括：除碘效率、穿透容量、對以吸附在活性炭上碘的滯留能力、空氣流量及速度、氣流阻力、機械強度、抗震級別、抗震性、耐燃燒性和耐輻射性等。可以看出，這些性能，除與活性炭吸附劑的性能有關外，也決定于碘吸附器的設計。

對碘吸附器產品的主要性能要求為：凈化系數(shù)大于1 000（按照NF-206標準試驗）或泄漏率小于0.05%（按ASTMN510標準試驗）；在額定風量下，阻力小于360 Pa；抗震級別為IF級；連續(xù)運行極限溫度80℃；燃燒溫度大于330℃；最大耐輻射劑量106 Gy。

1.4.2 結構型式

目前，我國已研制和生產了數(shù)種不同形式的碘過濾器。從結構上大體分為折疊式、抽屜式、筒式和深床式4種，圖2為這4種碘吸附器的結構示意圖。

折疊式碘吸附器外形尺寸為610 mm×610 mm×290 mm，與高效粒子過濾器的外形尺寸一致，額定風量也一致，即1 700 m3/h，折疊式碘吸附器的吸附劑厚度為25.4 mm，整個炭就像一張紙一樣，折疊著固定在框架上（秦山二核使用該種碘吸附器）。

抽屜式碘吸附器由3個抽屜吸附器盒組成，3個抽屜吸附器盒平行固定在面板上。抽屜式碘吸附器的迎風面積尺寸與1臺高效粒子過濾器的迎風面積尺寸一樣。每臺抽屜式碘吸附器的額定風量與1臺高效粒子過濾器的一致，每個抽屜吸附器盒的額定風量為高效過濾器的1/3，即567 m3/h，吸附劑厚度為50.8 mm（秦山一核使用該種碘吸附器）。

深床式吸附器的特點時是由單個或多個活性炭（吸附劑）床組成，在現(xiàn)場裝卸。其尺寸根據(jù)所處理的空氣或氣體流量來確定。活性炭床由穿孔板和結構件焊接組裝而成。氣流從吸附劑床的迎風面進入，通過填充的吸附劑，再從出風面流出（三門核電使用該種碘吸附器）。

2 深床式碘吸附器的介紹

2.1 吸附器本體

深床式吸附器的特點時是由單個或多個活性炭（吸附劑）床組成，在現(xiàn)場裝卸。其尺寸根據(jù)所處理的空氣或氣體流量來確定。活性炭床由穿孔板和結構件焊接組裝而成。氣流從吸附劑床的迎風面進入，通過填充的吸附劑，再從出風面流出。

2.2 吸附器裝填設備

深床式吸附器采用專門的吸附劑裝填設備在現(xiàn)場填裝吸附劑，并與吸附床上的裝料口或裝料孔相對接。該設備可將散裝顆粒狀的吸附劑裝入吸附床，填裝方式應保證炭床的均勻填充。

2.3 吸附劑排除設備

將失效的吸附劑從深床式吸附器中排除。該輔助設備在操作過程中會產生大量灰塵，吸附劑排除設備抽吸排出空氣也應經必要的隔離、過濾，以控制吸附劑處理過程中可能造成的對人體安全與健康的危害。失效的吸附劑應按規(guī)定裝箱處理。

3 碘回路通風系統(tǒng)的試驗

3.1 DVW系統(tǒng)

DVW系統(tǒng)在發(fā)生LOCA時，由RPR系統(tǒng)（反應堆保護系統(tǒng)）來的安全注入信號觸發(fā)其自動切換到碘回路運行：啟動風機002ZV（若風量開關003SD探知風機002ZV失效，則備用風機001ZV在10 s后自動啟動）；停運003ZV風機和電輻射加熱器003RS。該功能由PT1DVW001（碘路排風機的性能試驗）來進行驗證，事故規(guī)程中同樣需要對這些自動動作進行確認。

3.2 DVC系統(tǒng)

每個換料周期執(zhí)行一次PT1DVC004（1DVC001/002/003 AA報警動作及1DVC 400 VA關閉試驗）。正常情況下DVC系統(tǒng)以新風加回風的方式連續(xù)運行，在廠區(qū)污染情況下，新風過濾管路由KRT系統(tǒng)自動啟動，而在試驗規(guī)程中，以上動作可由主控室將1DVC 001 TL旋至啟動位置并按下來實現(xiàn)。

試驗中DVC001/007VC開啟，002/102VC關閉，系統(tǒng)由新風加回風的運行方式轉換為全回風的方式，即廠區(qū)污染時保證了主控室等相關房間空氣的質量，避免主控人員受到放射性氣體污染，從而可以保證事故處理的正常進行。

4 碘吸附器的消防相關與離線再生

4.1 碘吸附器的消防相關

壓水堆核電站防火設計和建造準則RCC-97版規(guī)定，通風系統(tǒng)除碘器內的活性炭裝量超過100 kg/臺時，應安裝噴淋環(huán)，以保證一旦因可燃的活性炭過熱而燃燒時能及時滅火。擴建機組設計時，已列入改進計劃實施。2011年4月，國家核安全局和能源局對運行電廠聯(lián)合大檢查時，對1、2號運行機組通風系統(tǒng)提出，“考慮到活性炭過濾器中發(fā)生的火災可能導致放射性物質釋放，建議按照IAEA要求，考慮采取非能動或能動的防護措施來保護活性炭過濾器遠離火災”。因此，建議對1、2號機組碘吸附過濾器增加消防系統(tǒng)。本改進項涉及DVW、EVF、DVN、DVK、ETY、TEG等碳裝量超過100 kg的碘吸附過濾器。

變更方案和要求如下：

（1）對于箱體式除碘器（DVK、ETY、TEG），在箱體附近增加火災探測系統(tǒng)，上下游增加防火閥、箱體上增加噴淋裝置。一旦發(fā)生火災，消防人員通過軟管與箱體上預留的快速接頭相連，水從進水管嘴直接灌入碘吸附器箱內，淹沒滅火。該進水管的水從JPI管網引出，通過閥門和管道接入碘吸附器所在房間。

（2）對于排架型碘吸附器（DVN、DVW、EVF）消防方式是對排架直接設噴淋系統(tǒng)。

圖3為部分改造完畢的系統(tǒng)簡圖。

4.2 碘吸附器的離線再生

秦山二期的通風系統(tǒng)碘吸附器在失效后就被換下并存放在QT廠房內，目前已堆積有120臺以上，并隨著運行時間的增加而不斷增加；因碘吸附器為不可壓縮的固體廢物，一直沒有好的方法來減少或處置此類低放廢物，給秦山二期低放廢物的存放與處置造成很大壓力。為此，為解決此問題，技術處與運行處提出碘吸附器能否換炭再用，并組織中國輻射防護院就碘吸附器換炭再用進行了試驗（對碘吸附器進行多次重新整修和換炭，并進行整機性能試驗），試驗的目的是通過對現(xiàn)場更換下來的XZ-1200型折疊式碘吸附器舊殼體加以整修和重新裝炭，并檢驗其凈化系數(shù)和阻力等主要性能指標，考察并驗證舊碘吸附器換炭再用的可行性，同時為制定舊碘吸附器殼體整修工藝程序提供可借鑒的經驗。最終每次試驗結果均滿足核電站規(guī)定的技術指標要求。

圖3 部分系統(tǒng)改造后的簡圖

表1為某一批次拆卸下碘吸附器再生試驗的數(shù)據(jù)。

5 結論

（1）二廠含碘吸附器的通風系統(tǒng)風機啟動邏輯中，只有DVC001/002ZV、DVK005/006ZV有放射性高自啟動命令，其他碘回路風機DVW001/002ZV、DVN007/008ZV、TEG001/002ZV、EVF001/002ZV、ETY001/002ZV則沒有放射性高的自啟動命令。

（2）深床式碘吸附器由于可以通過改變吸附床的大小來適應不同風量的要求，比起折疊式和抽屜式吸附器，它不需要設置吸附器排架，因此，也就不存在排架間隙的泄漏，而且其自動化程度高，不需要人員現(xiàn)場更換吸附器單元，可在最大程度上避免人員遭受輻照危害吸附器殼體及排架可一直使用，不需要更換，經濟性好，已經在三代AP 1000機組中推廣使用。

（3）從碘回路通風系統(tǒng)的試驗規(guī)程也可以看出核電廠通風系統(tǒng)設計的安全理念，即在發(fā)生核泄漏事故情況下快速反應，啟動備用列碘回路，送排風方式改變，最大程度上保證主控人員的人身安全，減少放射性向外界的排放。

（4）AP1000深床式碘吸附器在線更換時吸附劑時也存在風險，同時，中核核電運行管理有限公司整體更換碘吸附器類型也是不現(xiàn)實的，鑒于換炭再用試驗的完全成功，建議將二期換下的失效碘吸附器運至廠家進行換炭再用，以減少此類固體廢物的產生和處置并可大大減少固體廢物的處置費用及節(jié)約部分成本。

表1 “模擬舊碘吸附器（煤基炭）”換炭再用試驗結果